O-ring

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Un tipico O-ring e le sue applicazioni.

Un O-ring è un anello di elastomero (comunemente detto gomma), a sezione circolare usato come guarnizione meccanica o sigillo. Gli o-ring sono progettati per essere inseriti in appositi alloggiamenti ed essere compressi durante l'assemblaggio di due o più parti, creando così una guarnizione di tenuta.

Il termine O-ring significa letteralmente: "O" per la relativa lettera dell'alfabeto, derivata per la sua forma; e ring per anello.

In Italiano, nel linguaggio corrente, anche tecnico, gli "O-ring" vengono definiti "O-erre" [1]

L'unione può essere statica, quando le parti dell'alloggiamento e la guarnizione non si muovono l'una rispetto all'altra, o dinamica, quando si muovono. A causa del surriscaldamento dovuto all'attrito le giunture in movimento richiedono un'adeguata lubrificazione e le velocità relative sono limitate.

Gli o-ring sono una guarnizione piuttosto comune, usati nei progetti per via dei loro costi limitati e della loro resistenza a decine di megapascal di pressione.

Storia[modifica | modifica sorgente]

Il brevetto statunitense dell'o-ring venne registrato nel 1937 dal settantaduenne danese Niels Christensen[2], un tornitore giunto in America nel 1891 che registrò anche il brevetto di un freno ad aria per i tram. Nonostante i suoi sforzi legali la sua proprietà intellettuale passò da una compagnia all'altra fino alla Westinghouse. Durante la Seconda guerra mondiale il governo statunitense dichiarò l'o-ring fondamentale per la guerra, consentendone la produzione ad altre compagnie. Christensen ricevette un pagamento di 75.000 $ e, dopo la sua morte e molte cause legali, un ulteriore risarcimento di 100.000 $ ai suoi discendenti.

Teoria e progettazione[modifica | modifica sorgente]

Alcuni o-ring di piccole dimensioni.

Una giuntura con O-ring efficace richiede un montaggio meccanico energico che applichi una deformazione apprezzabile all'O-ring. Questa introduce uno stress meccanico calcolato alle superfici di contatto dell'o-ring. Fintanto che la pressione del fluido contenuto non eccede lo stress da contatto dell'O-ring, non può esserci una perdita.

La guarnizione è progettata per avere una piccola superficie di contatto tra l'O-ring e le parti da sigillare. Questo consente una elevata pressione specifica su tale superficie, in grado di contenere una forte pressione, senza danneggiare il corpo dell'O-ring. La natura flessibile dell'elastomero consente di adattarsi alle lievi imperfezioni di planarità) delle parti da giuntare (specialmente con pressioni limitate), è invece comunque prescritta una elevata riduzione della rugosità della superficie metallica nel luogo di tenuta. In caso di pressioni molto elevate la planarità e la rugosità delle superfici in contatto con l'anello O-ring sono assolutamente entrambe fondamentali, è da notare però che la superficie di contatto che deve avere tali caratteristiche è di estensione molto limitata.

Di norma, diversamente che per altre guarnizioni, la pressione da esercitare sulla guarnizione deve essere dosata e ben definita, per tale motivo la guarnizione è alloggiata in una cavità prodotta in una della due parti di cui si vuole assicurare la tenuta. La forma della cavità assicura che, al serraggio a contatto delle parti metalliche, la compressione che deforma l'O-ring abbia il valore corretto ed adeguato per la tenuta. Peraltro con il serraggio metallico non è possibile praticare sollecitazioni ulteriori sull'anello di tenuta; tale fatto è estremamente importante, dato che altri tipi di guarnizioni restano serrate tra il metallo e sopportano i carichi che ne derivano, (variazioni di pressione, dilatazioni termiche delle parti connesse, urti e vibrazioni). Quando il giunto è serrato la guarnizione è ampiamente protetta da molti tipi di sollecitazioni.

Data la natura di elastomero di piccola dimensione le superfici che sono interessate al contatto con le parti metalliche giuntate è esiguo, quindi da un lato le parti da lavorare con elevate caratteristiche sono molto limitate in estensione, d'altro canto le superfici appunto essendo esigue devono avere un alto livello di finitura. La condizione di essere un elastomero organico (semplicisticamente: gomma), e quindi un derivato organico, ne rende limitata la estensione di tempo in cui conserva adeguate caratteristiche (elasticità, continuità strutturale); tale durata, che comunque è considerevole, è drasticamente ridotta in caso di elevate temperature, o estremamente basse, o di radiazioni ionizzanti, per la natura stessa degli elastomeri in genere.

Per il contenimento di fluidi solventi aggressivi nei confronti di elastomeri generici, sono commercializzati O-ring costituiti da miscele di materiali particolarmente resistenti ad una ampia gamma di solventi. Nonostante tali perfezionamenti la tenuta ad O-ring è compatibile solo per il contenimento di una determinata gamma di fluidi ed a determinate condizioni fisiche.

L'O-ring sono una delle parti più comuni, ma anche più importanti, nei progetti di macchine meccaniche in un gran numero di dimensioni standard[3] e di materiali[4].

Materiali[modifica | modifica sorgente]

La selezione degli o-ring viene fatta sulla base della compatibilità chimica[5], della temperatura d'applicazione[6], della pressione, della lubrificazione, dei requisiti, della qualità, della quantità e del costo.

Altre forme[modifica | modifica sorgente]

Vi sono variazioni nella forma degli o-ring, non sempre circolari; ad esempio vi sono o-ring con sezione a x, chiamati comunemente x-ring. Quando vengono pressati sigillano con 4 superfici di contatto (due sopra e due sotto). Si ritiene che questi x-ring abbiano una durata maggiore degli o-ring.

Vi sono anche o-ring con profilo quadrato, comunemente chiamati square-cut o "square-ring".

Il disastro del Challenger[modifica | modifica sorgente]

Exquisite-kfind.png Per approfondire, vedi Disastro dello Space Shuttle Challenger.


Il guasto di una guarnizione (detta field-joint) con O-ring fu la causa del disastro dello Space Shuttle Challenger STS-51-L il 28 gennaio 1986, per via della temperatura differente da quella prevista nel progetto. Questa ipotesi venne confermata in televisione dal fisico Richard Feynman del Caltech, posizionando un piccolo O-ring nell'acqua ghiacciata e mostrando che vi era una perdita di flessibilità.

Il materiale utilizzato nell'O-ring che cedette era a base di un FKM copolimerico, comunemente denominato Viton, del produttore Morton-Thiokol dello Utah. L'FKM standard, come quello utilizzato in questo caso, non è un materiale adatto per essere utilizzato per applicazioni che prevedono basse temperature. Quando un O-ring viene raffreddato, c'è una temperatura Tg (temperatura di transizione vetrosa) sotto la quale perde elasticità. Anche quando un O-ring non raggiunge la temperatura Tg, alle basse temperature, impiega più tempo a ritornare alla forma iniziale una volta compresso. Gli O-ring (e tutte le altre guarnizioni) funzionano creando una pressione positiva contro la superficie prevenendo quindi le perdite.

Durante la notte precedente il lancio, furono registrate temperature dell'aria molto basse e in seguito a questo i tecnici NASA procedettero a una ispezione. La temperatura ambientale era all'interno dei limiti previsti e la sequenza di lancio continuò. Nonostante ciò, la temperatura dell'O-ring rimase significativamente più bassa dell'aria circostante.

Il dottor Feynman, durante la sua analisi dei filmati, notò una piccola fuoriuscita di gas dal Solid Rocket Booster (SRB) attraverso la giunzione di due segmenti nell'istante immediatamente precedente l'esplosione. La causa di questo fu attribuita a un O-ring difettoso. Il gas ad alta temperatura reagì in maniera esplosiva col serbatoio esterno e l'intero veicolo venne distrutto.

Note[modifica | modifica sorgente]

  1. ^ LINGUAGGIO CORRENTE
  2. ^ http://www.uh.edu/engines/epi555.htm
  3. ^ http://www.oringsusa.com/html/size_chart.html o http://www.lutzsales.com/sizechart.asp
  4. ^ http://www.oringsusa.com/html/materials.html e http://www.lutzsales.com/materials.asp
  5. ^ http://www.oringsusa.com/html/fluid_compatability_of_o-rings.html
  6. ^ http://www.oringsusa.com/html/temperature_range_of_o-rings.html

Curiosità[modifica | modifica sorgente]

Spesso gli O-ring vengono utilizzati nell'ambito della body modification per bloccare i piccoli tunnel che vengono inseriti nelle dilatazioni corporali.

Altri progetti[modifica | modifica sorgente]